Investigación para el diseño de obras subterráneas Dentro de las obras de ingeniería de un proyecto, las obras subterráneas presentan una incertidumbre especial, ya que el conocimiento de las condiciones del sitio donde se desarrollarán es parcial. Por esta característica, no existe una certeza absoluta en las propiedades de los materiales (suelo o rocas) donde se construirán las obras, lo cual a su vez provoca dificultades en la estimación de los costos y tiempos del proceso constructivo. Para un proyecto hidroeléctrico, el éxito en la construcción del túnel de conducción es esencial, por eso con antelación se debe tener un conocimiento adecuado de la zona donde se desarrollará la obra. La parte inicial del proceso consiste en la planificación de la investigación, lo cual incluye perforaciones, geofísica, cartografiado geológico de superficie, caracterización del macizo rocoso, ensayos geotécnicos, todo ello para generar un modelo geológico y geotécnico que permita diseñar la obra acorde a las variables del medio. La etapa de investigación del túnel de conducción del PHED contempló la realización de 10 perforaciones a lo largo del alineamiento del túnel (11 km de longitud), separadas en promedio 1 km cada una. La profundidad de las perforaciones varió según la necesidad en cada caso de alcanzar la profundidad del túnel de conducción. Las perforaciones brindan información de la estratigrafía del área, fallas geológicas, hidrogeología (acuíferos, nivel freático, permeabilidad), además de los resultados obtenidos de las pruebas geotécnicas que se le realicen a las muestras (núcleos) recuperadas en la perforación. Asimismo, los estudios geofísicos (sísmica y sondeos eléctricos verticales), permiten definir estructuras como fallas geológicas, estratigrafía y propiedades hidrogeológicas a lo largo de la línea de túnel. El modelo geológico contiene la interpretación de las estructuras geológicas que se van a encontrar a lo largo del túnel en los diferentes escenarios de cobertura y zonas problemáticas, es un insumo para el modelado geotécnico y por ende, el diseño de la obra.
El modelado geotécnico consiste en caracterizar el macizo rocoso en cuanto a sus propiedades de resistencia y deformación, permite realizar los análisis de esfuerzos y deformaciones, cuyos resultados son a su vez los datos de entrada principales para el diseño tanto geotécnico como estructural del túnel. El diseño geotécnico permite estimar la cantidad y calidad del soporte temporal requerido, la cantidad de agua que se deberá evacuar durante la excavación, los tiempos de colocación del soporte que facilitan un proceso de excavación seguro, así como hacer una estimación de las presiones que ejercerá el macizo rocoso sobre la excavación a largo plazo, y a su vez realizar el diseño estructural del revestimiento definitivo. Para efectos de la construcción de obras en general, es vital un diseño ya que ayuda a que la planificación sea más detallada, haya mayor prevención de problemas constructivos y con ello generar un ambiente seguro para el personal que labora. Una de las principales estructuras geológicas que requieren más detalle y una investigación exhaustiva son las zonas de fallas. Una falla geológica es una superficie o zona en la corteza terrestre a lo largo de la cual un lado o bloque se ha movido en relación con el otro en el plano de ruptura. El área de deformación (roca triturada, cizallada y fracturada) que genera una falla es variable y depende en gran parte de la extensión de la misma. En fin, en el contexto de diseño y construcción de obras, la roca existente en zonas de falla, presenta características geomecánicas de menor calidad que requieren soportes y métodos de excavación especiales. La galería de investigación en Colinas, una exploración de la Falla Chánguena A lo largo del alineamiento del túnel de conducción, se identificaron varias fallas que lo atraviesan de manera transversal, entre ellas la Falla Chánguena y la Falla Térraba. Caracterizar de manera más precisa las propiedades geológicas y geotécnicas del material y la respuesta del macizo bajo un escenario de excavación resulta una necesidad en los diseños de la obra. Es por ello que se busca un sitio que reúna las condiciones
para obtener la información, concluyendo que el sector de Colinas de Buenos Aires era apto, puesto que se ubica en el trazo de la Falla Chánguena, hay facilidad de accesos y disponibilidad de servicios básicos que facilitarían la realización de una galería exploratoria, a la cual se ingresaría por una ventana de acceso. Debido a los altos costos que implica excavar una obra subterránea, al definir la longitud y características de esta ventana de acceso, se buscó optimizar un diseño de tal manera que contemplara la menor longitud con la menor pendiente posible de acuerdo con la topografía del área. La ventana de acceso tiene una longitud aproximada de 660 m, con una inclinación descendente de 13%, la sección transversal de la excavación cuya forma es de tipo baúl, de 6 m de altura y 6 m de ancho. Para desarrollar esta exploración, la Secretaría Técnica Nacional Ambiental otorgó un permiso específico para construir la ventana de acceso, necesaria para acceder a la zona de falla, además de un permiso para construir la galería para la investigación de los 1000 metros de la falla Chánguena en tramo de la línea de túnel. Desde el inicio de esta investigación subterránea, personal de casi todas las áreas del PH El Diquís han laborado como equipo, ya que una obra de esta complejidad requiere del apoyo técnico de diversas áreas. La recolección de información geológica y geotécnica la realizan dos cuadrillas, una por cada área. En el área de geología se cuenta con una cuadrilla encargada de describir el frente de excavación a diario (topes), clasificar el tipo de roca y el estado del macizo, medir fracturas, buzamiento de la roca, planos de falla y monitorear el agua subterránea (caudal de salida, olor, color) en la ventana de acceso. Toda la información se integra y se interpreta para establecer parámetros reales del macizo en zonas de falla o de baja calidad. En geotecnia, la cuadrilla realiza labores de monitoreo de las deformaciones de la excavación (medición de convergencias) las cuales permiten observar el comportamiento diario de la excavación y su grado de deformación a través del tiempo. Este monitoreo es fundamental en toda obra subterránea, ya que la información obtenida permite realizar
recomendaciones sobre los tipos de soporte que se deben utilizar, buscando siempre mantener la estabilidad de la excavación y la seguridad del personal. Otra labor realizada por parte de la cuadrilla de geotecnia es la recuperación de muestras de roca, las cuales son sometidas a diferentes ensayos (de campo y de laboratorio) para determinar su resistencia. Además, la investigación geotécnica contempla la realización de ensayos de placa rígida mediante los cuales se determina el comportamiento de las deformaciones del macizo rocoso ante diferentes presiones. Estos ensayos se realizan por medio de gatas hidráulicas y medidores de deformación en nichos o gavetas excavadas en las paredes de la excavación. Para la construcción de esta obra, el personal con que se cuenta es de 10 tuneleros, de los cuales la mayoría posee más de una década de experiencia. En su labor, tienen la colaboración de los auxiliares y peones provenientes de la zona, quienes con el proceso de capacitación que reciben, varios tienen proyección de convertirse en futuros tuneleros. Actualmente la obra cuenta con cuatro cuadrillas de construcción que están distribuidas con las siguientes funciones: dos cuadrillas encomendadas a la excavación; una de patio, que es la encargada de la logística de los materiales y requerimientos de la excavación; y una con rol cambiado o de horario inverso, que trabaja cuando el personal bisemanal está de salida larga. La cuadrilla de rol cambiado tiene la tarea de colocar concreto en el piso y de hacer la perforación al avance, esta perforación consiste en una prospección previa al avance en la ventana o galería, para determinar las condiciones del macizo en el tramo próximo a excavar así como obtener datos hidrogeológicos como barreras, caudales y presiones de agua. Estas perforaciones poseen entre 30 m y 40 m de longitud y mantienen la misma dirección de la excavación. Esta práctica es una norma de seguridad que aplica en todas las obras subterráneas que el ICE desarrolla. En setiembre del 2011, se inició la excavación del portal, y casi dos meses después, el 1 de noviembre del mismo año se efectuó el avance del primer metro de excavación en la ventana de acceso, esta se ubica entre 200 m y 250 m de la zona de falla, a pesar de no estar ubicada en la zona de falla propiamente, se ha observado que la zona de afectación ha disminuido la calidad del macizo, dando lugar a zonas de cizalla, sectores con una
relación de fracturación alta que aunado a la litología (areniscas finas y lutitas), hace que las condiciones constructivas sean difíciles. Ante este escenario el proceso de excavación ha sido principalmente mecanizado y no mediante el uso de explosivos, lo cual se refleja en un avance menor a lo planeado por el área de construcción. Aparte de la condición y del tipo de material presente, un elemento que agrega más complejidad a una obra subterránea es el agua. Hasta el momento la cantidad ha sido poca y fácilmente manejable; no obstante, desde ya se están tomando las medidas para cuando haya que enfrentarse a un mayor volumen de agua. Para ello, aproximadamente cada 120 m de la ventana se construye un nicho de bombeo. Estos nichos de bombeo funcionarían sincronizados en serie, donde un nicho enviaría el agua al siguiente y así sucesivamente hasta sacar el agua a la superficie. Esta ventana de acceso y la galería de exploración son de las obras de exploración más importantes en la actualidad del Proyecto Hidroeléctrico El Diquís.